分割地对接收机灵敏度影响探寻*

佟 刚

（深圳康凯斯信息技术有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

我们处于信息社会智能时代，很多设备可以上无线网络，设备有发射和接收系统，并有高速信号，接收系统是弱信号系统，容易被电源高次谐波干扰和高速信号同频和谐波干扰，电源或地分割处理不好成为干扰源，影响接收机灵度，严重情况接收机不能按指标验收，造成设计不合格。

1 问题分析

公司设计一款带2.4 GHz无线上网IPC CAMRA信号处理华为海思芯片3518,无线部分为RXX公司符合WIFI bg n某芯片，将芯片直接与3518置于一片PCBA板上。按R司设计建议完射频部分布局和PCB 布线。做成整机测试WIFI b 11M 吞吐量，该部分TIS灵敏度只有-56～-67 dBm,拉外置天线灵敏度只有-71～-78 dBm，而发射功率1、6、12信道功率大于12 dBm，传导灵敏度1、6、12信道灵敏度都≤-87 dBm,公司内置天线WIFI b TIS验收标准≤-76 dBm,

依据R公司设计WIFI PCB部分设计见图1。

图1 WIFI PCB layout图

图1 部分PCB布线面积25 mm×20 mm射频部分大地只是通过几个0欧姆电阻与外围PCB连接。回流路径理论，2.4 GHz WiFi 射频信号通过同轴线发射或接收，但其参考地平面不能由于分割原因不能以最小感抗路径返回供电系统主地，形成电小环天线效应。环的尺寸小于波长（2.5 GHz无线波长120 mm大于图1方框90 mm周长）在远场区相同面积圆环或方环具有相同的远场波瓣图。方环远场电场强度[1]示意图见图2。

图2 远场电场强度示意图

小环天线电场强度公式：

式中，EΦ为对应r距离电场强度（V/m）；I为电流强度（安培：A）；回流环面积（m2）；r为回流环到被测物距离（m）；λ为环内最高频率波长（m）；θ为环与测试点距离（角度）；光速等于频率乘以波长：

式中，λ为环内最高频率波长（m）；c为光速度（3.0*108m）；f为频率（Hz）。

式（2）代入式（1）得：

WIFI b 2.4 GHz中心频点2.44 GHz；WIFI工作瞬间电流取0.3 A；面积取0.000 5 WIFI；天线到环距离0.2 m；天线与环角度为3度；可得电场强度10.3 V/m。由电场强度就可知道功率通量密度[2]：

式中，W为功率通量密度（W/m2）；EΦ为电场强度（V/m）R_air自由空间波阻抗（377 Ω）；功率通量密度与功率的关系：

式中，W为功率通量密度/（W/m2）；P为辐射源的输出功率（W）；r为测量点到辐射源的距离（m）。

式（4）与式（5）联合求解将r为0.3 m代入得0.14 W，正常天线馈电保证天线有效率将外馈能量辐射出去。对于这个项目方环与地有0.1 mm间距，采用临近馈电。临近馈电距离较近（远小于2.4 GHz波长），自由空间波和高次谐波发挥作用。微带天线耦合之间距离较大，表面波占主导作用，表面波能量能正常辐射出去，但临近馈电距离近，自由空间波功率辐射出去效率低[3]。方环天线效应见图3。

天线效率无源效率见表1。

表1 天线回损

图3 方环天线效应回损图

从图3和表1可以得到方形环在2.3～2.7 GHz谐振，由于临近耦合，方形环到地距离只有0.1 mm,电小环天线辐射电阻小、感抗大[4]。电小环辐射电阻：

式中，Rr为电小环辐射电阻（Ω）；Cλ为环周长（m）；电小环辐射因子：

式中，Rr为电小环辐射电阻Ω；RL为损耗电阻Ω；Cλ=0.09m代入式（6），可得到电小环天线辐射电阻等于0.012 9 Ω，而电路馈入的电阻一般为50 Ω，电路匹配失陪，很大一部分能量反射回发射电路或接收电路，这部分反射还会引起其它问题，这是我们不愿意得到----大功率发射机若有大的反射极有可能烧毁电路。由于入射波与匹配小环天线阻抗不匹配，辐射效率很低，只有很少一部分功率耦合到自由空间，但很少一部分能量也干扰WIFI接收。将IPC 置于屏蔽房中（1～6 GHz对外屏蔽能力大于90 dB），只有IPC和测试设备工作，频谱分析仪处于监听状态,测试IPC WiFi b 11M吞吐量情况下，测量1、6、12信道发射功率和灵敏度。最大功率发射和接收，测量到发射功率大于10 dBm，但接收情况比较差，从-56～-67 dBm飘动。频谱仪监听状态下，频率仪扫频范围从2.4～2.5 GHz，发现一个现象，1信道发射，1信道灵敏度正常，但6、12信道灵敏度变差，并且12信道灵敏度最差。测试结果见图4。

图4 距离r点频谱

临近馈电一般都有一定距离，但这个项目距离只有0.1 mm,馈电效率现阶段没有一个比较好的计算方法。只能从馈入电阻50 Ω，天线辐射电阻0.012 9 Ω，但实际频谱测到功率-57 dBm，还有一部分功率损耗是馈电损失。在这里就数值计算0.012 9～50Ω，有36 dB损失,还有天线效率引起损耗，天线效率损耗见式（8）；

式中，l为损耗（dB）；e为效率（%）。

我们以2.45 GHz频点为例，天线效率有3.9 dB损耗。将近38 dB损失临近馈电损失掉---这部分损耗现阶段还没找到合理数学计算方法，我们一直努力找到这种馈电路径能量损失机理，想办法破解布局不合理原因。

2 设计注意

从上面测量得出分割地带有天线效应。为解决分割地带来天线效应，分割地就近接主地，并且多点接主地，保证接地良好。这个实验满足近似方环谐振频率在2.1～ 2.7GHz谐振，其它高频率影响或高频率天线效应由于实验条件限制没能验证。

现在设计越来越复杂，难免地被分割为射频部分地和其它部分地，当数信号地到射频地比较近并且没有很好接一个主地，就会产生地回流噪声；另外（见图5）一个高频或高速信号从IC A 处发出到IC B，信号路径比较长，或地回流面积大；会产生不想要的耦合天线效应。解决方法：（1）射频线尽量短；（2）高速数字信号尽量短；（3）回流地就近原则使回流面积尽量小。[5]

图5 ICA 到ICB回流图

3 结 语

追求快速高效通信是我们工作动力，但由于人为设定一些条件，硬件设计将大地分割或开槽，电流回流路径被意外加大。高频、射频信号和高速信号最怕电流回流路径加大，加大电流回流面积会有天线效应。一则干扰自己通信，灵敏度变差；二则干扰其它设备灵敏度，使得别的设备灵敏度差；这些EMI问题是设计中时时注意问题。为了避免边设计边改正，就需要有一个基本设计原则，这样设计变得更加顺利和有序。